Janus Electrocatalytic Membrane Enables Tunable Redox via Sequential Tactics toward Ultrafast Water Decontamination

氧化还原 化学 电子转移 降级(电信) 溶剂化电子 激进的 水溶液 化学工程 光化学 放射分析 无机化学 有机化学 生物化学 电信 工程类 计算机科学
作者
Ni Yan,Jiaming Zhang,Tengfei Ren,Mengxi Yin,Xia Huang,Xiaoyuan Zhang
出处
期刊:Environmental Science & Technology [American Chemical Society]
卷期号:59 (36): 19547-19558
标识
DOI:10.1021/acs.est.5c03417
摘要

Emerging contaminants (ECs) in water are a prominent environmental concern worldwide. Despite advanced oxidation or reduction being appealing transformation approaches, existing technologies face challenges in adaptability to the removal of both electron-rich ECs and ECs with electron-withdrawing moieties. Here, a Janus electrocatalytic membrane was fabricated to induce hydroxyl radicals (OH) and atomic hydrogen (H*) simultaneously and tune redox processes via sequential tactics to achieve adaptable and ultrafast removal of diverse ECs. The Janus electrocatalytic carbon-fiber membrane with single-atom (SA) Fe and Ni anchored on two different sides, respectively, exhibited an excellent performance in the degradation of various ECs and treatment of the secondary effluent of pharmaceutical wastewater. Model ECs like propranolol and chloramphenicol were 100% removed at a high water flux (680 L m-2 h-1) and low energy consumption (<0.015 kWh m-3 log-1). In the electrofiltration sequence of Side-Fe to -Ni, the OH yield was enhanced due to the flow-enhanced mass transfer of Side-Fe-induced H2O2 to Side-Ni-induced H* and the subsequent reaction to form OH, favoring electron-rich organic degradation. While in the opposite sequence, the process of H*-mediated reduction followed by OH-mediated oxidation achieved thermodynamical superiority, favoring the degradation of ECs with electron-withdrawing groups. This study highlighted a new reversible membrane design enabling tunable redox for the removal of various ECs from wastewater.
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